3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

戴圣偉，曾維陽，侯賦軍，王炎平

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲；2.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株洲）

一 引言

3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)具有顛覆意義的技術(shù)，在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。其3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品流程包括：基于CAD、3DMAX等設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)立體模型，并通過Cura3D打印切片軟件進(jìn)行逐層打印成品。作為制造業(yè)的創(chuàng)新制造形式，3D打印及其教育受到了相關(guān)部門高度重視，3D打印及其教育被列為突破發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。在國(guó)務(wù)院關(guān)于3D 打印增材制造的專題講座后，李克強(qiáng)總理表示要在國(guó)內(nèi)多個(gè)制造業(yè)行業(yè)加速3D 打印的裝備和運(yùn)用，為3D打印在本科中的教學(xué)應(yīng)用指明了方向[1]。

二 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用分析

（一） 3D打印在大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

為了了解3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品情況，對(duì)湖南工業(yè)大學(xué)6個(gè)學(xué)院18個(gè)專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中3D打印的應(yīng)用情況進(jìn)行了調(diào)查。在18個(gè)專業(yè)中，要求學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)使用實(shí)物的專業(yè)有包裝工程、印刷工程、高分子材料與工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)（包裝）、產(chǎn)品設(shè)計(jì)（產(chǎn)品）、服飾、工業(yè)設(shè)計(jì)7個(gè)專業(yè)。其中，包裝工程共有173人，畢業(yè)設(shè)計(jì)做出實(shí)物的有104人，印刷工程共有165人，畢業(yè)設(shè)計(jì)做出實(shí)物的有99人，高分子材料與工程共有82人，做出實(shí)物的共有49人，產(chǎn)品設(shè)計(jì)（包裝）共有120人，畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)校要求做出實(shí)物的有120人，產(chǎn)品設(shè)計(jì)（產(chǎn)品）共有60人，畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)校要求做出實(shí)物的有60人，服飾共有50人，畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)校要求做出實(shí)物的有50人，工業(yè)設(shè)計(jì)共有80人，畢業(yè)設(shè)計(jì)做出實(shí)物的有40人。實(shí)物需求表如表1所示。

表1 實(shí)物需求表

在包裝工程、印刷工程、高分子材料與工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)（包裝）、產(chǎn)品設(shè)計(jì)（產(chǎn)品）、服飾、工業(yè)設(shè)計(jì)7個(gè)專業(yè)中，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用3D打印的有產(chǎn)品設(shè)計(jì)（包裝）8人，產(chǎn)品設(shè)計(jì)（產(chǎn)品）10人，服飾1人。3D打印應(yīng)用表如表2所示。

表2 3D打印應(yīng)用表

（二） 3D打印在大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中所面臨問題

通過與湖南工業(yè)大學(xué)教師、大三學(xué)生、大四學(xué)生、研究生交流，得知3D打印在大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用較少的原因：

（1） 3D打印成本高。市場(chǎng)上3D打印一件畢業(yè)設(shè)計(jì)作品普遍需要2500元以上，這給學(xué)生帶來了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，許多學(xué)生在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，都會(huì)避開這一雷區(qū)。而學(xué)?？紤]到實(shí)物成本，也為了減少學(xué)生經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，學(xué)院實(shí)驗(yàn)室盡可能提供材料，但是一般不超過200元。而對(duì)于成本較高的畢業(yè)設(shè)計(jì)作品，往往降低了要求。

（2） 3D打印教學(xué)難。學(xué)校沒有專門的3D打印課程，也沒有專門的3D打印教學(xué)平臺(tái)供老師教學(xué)。畢業(yè)班同學(xué)只能通過網(wǎng)絡(luò)資源與書本知識(shí)自學(xué)來進(jìn)行3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品。而畢業(yè)班同學(xué)自學(xué)3D打印，往往會(huì)存在學(xué)習(xí)時(shí)間緊張，課程質(zhì)量低、知識(shí)和應(yīng)用無法很好轉(zhuǎn)化的問題。

（三） 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)3D打印在大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與所面臨問題，應(yīng)用3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1） 降低3D打印成本。該平臺(tái)配備3D打印設(shè)備，畢業(yè)班同學(xué)只需支付耗材費(fèi)即可實(shí)現(xiàn)3D打印畢業(yè)作品。打印1件畢業(yè)作品所需費(fèi)用降低到2000元以下，減少了學(xué)生的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

（2） 提供3D打印教學(xué)。該平臺(tái)提供適用于畢業(yè)設(shè)計(jì)的3D打印教學(xué)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)周期縮短，并且能很好地將3D打印知識(shí)應(yīng)用在畢業(yè)設(shè)計(jì)中。

（3） 擴(kuò)大畢業(yè)設(shè)計(jì)選題。該平臺(tái)提供3D打印設(shè)備和3D打印教學(xué)，為大學(xué)教師進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)選題提供條件，大學(xué)教師進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的范圍擴(kuò)大，畢業(yè)設(shè)計(jì)采用實(shí)物模型的情況增加。

三 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

針對(duì)3D打印在畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，畢業(yè)設(shè)計(jì)作品不能很好地表示實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用以及3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品在大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用所面臨的問題，設(shè)計(jì)了 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)，以下將從3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)組成、3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)開放模式、3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)教學(xué)來介紹3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)。

（一） 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)組成

3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)由3D打印設(shè)備，3D打印教學(xué)平臺(tái)和專業(yè)指導(dǎo)人員構(gòu)成，如3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)的組成見圖1所示[2-6]。

圖1 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)的組成

（1）3D打印設(shè)備。3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)的3D打印設(shè)備包含3D打印掃描儀和3D打印機(jī)。3D打印機(jī)采用框架式打印機(jī)，既能滿足降低3D打印成本的需求，又能減少3D打印教學(xué)要求。

（2）3D打印教學(xué)平臺(tái)。3D打印教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)目標(biāo)是使畢業(yè)班學(xué)生掌握3D打印基本技術(shù)并把它運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中。在進(jìn)行3D打印教學(xué)的同時(shí)輔以畢業(yè)設(shè)計(jì)所需的專業(yè)知識(shí)來更好地促進(jìn)畢業(yè)班學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)物作品。

（3）3D打印指導(dǎo)人員。3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)指導(dǎo)人員由不同學(xué)科背景的大學(xué)創(chuàng)業(yè)畢業(yè)生組成。其擁有的3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品經(jīng)驗(yàn)積累，能對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)所涉及的專業(yè)學(xué)科知識(shí)以及3D打印技能進(jìn)行指導(dǎo)。

（二） 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)開放模式

3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)開放模式是3D打印設(shè)備向外開放的一種模式，通過3D打印設(shè)備向畢業(yè)班學(xué)生開放，來減小畢業(yè)班學(xué)生經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。學(xué)生只需承擔(dān)耗材費(fèi)而不用承擔(dān)額外費(fèi)用。通過學(xué)生提出3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)申請(qǐng)來合理地分配3D打印設(shè)備進(jìn)行3D打印教學(xué)以及3D打印畢業(yè)作品，有閑置的3D打印設(shè)備則同意申請(qǐng)，如果沒有閑置的3D打印設(shè)備則先滿足3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)的要求，當(dāng)滿足3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)的要求后，再同意畢業(yè)班學(xué)生3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品申請(qǐng)，從而實(shí)現(xiàn)資源的有效運(yùn)用。3D打印資源分配圖如圖2所示[7-11]。

圖2 3D打印資源分配圖

（三） 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用

3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)教學(xué)，以大學(xué)教師為主，指導(dǎo)人員為輔，大學(xué)教師負(fù)責(zé)3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)全過程包括確定畢業(yè)設(shè)計(jì)課題、對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行解讀、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)以及組織學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，而由指導(dǎo)人員則在畢業(yè)班學(xué)生對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題分析、3D打印實(shí)物設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，通過分享自己3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品的經(jīng)驗(yàn)以及3D打印使用技巧培訓(xùn)對(duì)畢業(yè)班學(xué)生使用3D打印技術(shù)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)作品提供幫助，3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)教學(xué)過程圖如圖3所示。

圖3 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)教學(xué)過程圖

四 3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用成效

設(shè)計(jì)的3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)于2017～2018年承接相關(guān)專業(yè)大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)作品打印與設(shè)計(jì)指導(dǎo)數(shù)十件。為說明3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用成效，以3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品在畢業(yè)設(shè)計(jì)作品中的增長(zhǎng)為例，3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品情況如圖4所示。可以觀察到畢業(yè)設(shè)計(jì)使用3D打印的組數(shù)大幅度增加，說明了3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品普遍得到接受。

圖4 畢業(yè)展3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品情況

在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)展中，首先由大學(xué)教師組成的畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)組組織畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論、知識(shí)和技能解決實(shí)際問題能力的指導(dǎo)思想，確定畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。畢業(yè)班學(xué)生在拿到畢業(yè)設(shè)計(jì)課題后，大學(xué)教師以及指導(dǎo)人員對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行解讀和分析并指導(dǎo)畢業(yè)班學(xué)生進(jìn)行3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品設(shè)計(jì)。通過大學(xué)教師和畢業(yè)班學(xué)生指導(dǎo)討論、指導(dǎo)人員和畢業(yè)班學(xué)生指導(dǎo)討論，使畢業(yè)班學(xué)生找到畢業(yè)設(shè)計(jì)方向后，大學(xué)教師再進(jìn)行專業(yè)知識(shí)的畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)、指導(dǎo)人員指導(dǎo)畢業(yè)班學(xué)生使用3D打印技術(shù)進(jìn)行3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品。并將各個(gè)3D打印畢業(yè)設(shè)計(jì)作品按照設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想組合在一起，形成一個(gè)具體的應(yīng)用系統(tǒng)，來說明如何解決實(shí)際問題，并在畢業(yè)設(shè)計(jì)展中展出，供企業(yè)以及大學(xué)教師進(jìn)行交流評(píng)價(jià)。

五 結(jié)語

3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中具有重要作用，構(gòu)建了專業(yè)知識(shí)、3D打印技能和實(shí)踐運(yùn)用的橋梁，是畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)的一種創(chuàng)新教學(xué)方式，3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)使3D打印在畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中大量應(yīng)用成為可能。效果表明，學(xué)生能較好地使用3D打印完成畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)物模型，同時(shí)不會(huì)有過重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。3D打印開放式教學(xué)平臺(tái)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用擴(kuò)大了大學(xué)教師進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的范圍，對(duì)畢業(yè)班學(xué)生通過畢業(yè)設(shè)計(jì)3D打印實(shí)物來展示學(xué)業(yè)成果以及對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才具有重要的意義[12-15]，為畢業(yè)班學(xué)生3D打印實(shí)物完成畢業(yè)設(shè)計(jì)指明了方向。